2. Eng-152, Musfil AS, Ethanol Production from Molasex

Proceedings of National Seminar on Applied Technology, Science, and Arts (1st APTECS),
Surabaya, 22 Dec. 2009, ISSN 2086-1931
Ethanol Production from Molasses with Immobilized Cells
Technique in Packed Bed Bioreactor by Extractive Fermentation
MUSFIL AS, TRI WIDJAJA, ALI ALTWAY
Department of Chemical Engineering, Sepuluh Nopember Institute of Technology , Surabaya, Indonesia
email: [email protected]
Abstract The aim of this research is to study the effect of glucose concentration, Ca-Alginat and K Carrageenan
density in immobilized cells on packed-bed bioreactor performance for ethanol production and the effect solvent flow rate
on performance for packed column by % extraction recovery. This experiment is performed with glucose concentration
10%v/v, 14%v/v, 18%v/v and immobilized cells Ca- Alginat and K-Carrageenan concentration 2%w/v and amyl alcohol
as solvent. Based on the result of study we can conclude that glucose concentration and Ca-Alginat and K-Carrageenan
concentration have an influence on concentration and ethanol productivity.The result showed the maximum average
result of immobilized cells in immobilized Ca-Alginat cells, ethanol concentration 8,76 %/ 69,15 g/L, yield 33,76%, and
ethanol productivity 82,98 g/L.hr while for immobilized cells in immobilized K-Carrageenan cells, ethanol concentration
7,63%/60,18g/L , yield 27,66% and ethanol productivity 72,22 g/L.hr. In extraction process, increasing amyl alhohol
solvent flow rate will increase mass transfer and hence increase ethanol recovery.
Keyword Ethanol, extractive- fermentation, immobilized cells, packed-bed bioreactor
I. PENDAHULUAN
Sebagaimana diketahui bahwa immobilized
cell
merupakan
suatu
proses
untuk
menghentikan pergerakan dari molekul enzim
atau sel ditahan pada tempat tertentu dalam
suatu ruang reaksi yang digunakan sebagai
katalis. Immobilized cell ini dilakukan karena
mikroorganisme ini
sangat
kecil dan
mempunyai densitas yang mendekati dengan
air, sehingga kemungkinan mikroorganisme
akan terikat dalam aliran produk Keuntungan
dengan
menggunakan
immobilisasi
sel
dibandingkan dengan free cell adalah
memberikan kemudahan pemisahan produk,
volumetrik
produktivitas
yang
tinggi,
meningkatkan proses kontrol dan mengurangi
kontaminasi, menurunkan biaya pemisahan,
serta mencegah terjadinya wash out pada aliran
keluar produk.
Diantara berbagai teknik immobilisasi yang
ada, sistem penjebakan sel di dalam gel
calcium-alginat merupakan metode yang paling
sederhana dan berkarakter tidak beracun.
Teknik immobilized cell dengan Ca-alginat
dikembangkan oleh [1] dimana melibatkan
drop-wise suspensi sel di dalam sodium alginat
menjadi bed (mengeras), dan metode
penjebakan ini sangat mudah di aplikasikan
pada berbagai jenis sel seperti bakteria,
cynobacteria, algae, fungi yeast. Penelitian
dapat menggunakan bioreaktor berpengaduk
(continous flow stirer tank), reaktor fluidized
bed dan reaktor packed bed, tetapi oleh peneliti
direkomendasikan bahwa reaktor packed bed
untuk digunakan karena pertimbangan biaya
dan pengoperasian yang relatif murah
dibandingkan
yang
lain
serta
lebih
memungkinkan untuk dioperasikan secara
otomatisasi di industri.
Proses fermentasi konvensional yang
selama ini telah dilakukan mempunyai beberapa
kelemahan yaitu pertama, fermentasi ini
umumnya dilakukan menggunakan proses
batch, hal ini dilakukan untuk memudahkan
kontrol proses fermentasi dari kontaminasi
mikroorganisme. Kedua, konsentrasi etanol
yang dihasilkan sangat rendah karena produksi
etanol yang terakumulasi akan meracuni
mikroorganisme pada proses fermentasi.
Akumulasi dari produk terlarut yang bersifat
racun akan menurunkan secara perlahan-lahan
dan bahkan dapat menghentikan pertumbuhan
serta produksi mikroorganisme[2]. Pada proses
konvensional terdapat fokus batasan proses
adalah etanol inhibition, pada konsentrasi etanol
dari fermentasi broth mencapai 12% (v/v),
pertumbuhan spesifik mikroorganisme dan rate
spesifik produksi akan turun, densitas sel dalam
fermentor yang ada akan rendah sehingga
larutan gula tidak terfermentasi dengan
sempurna. Untuk itu, yang dapat dilakukan
untuk meningkatkan produktivitas etanol
dengan memindahkan kandungan inhibiting
selama proses fermentasi.
Berdasar sifat etanol lebih volatile daripada
air,
maka
ada
pemikiran
untuk
mengimplementasikan teknik pemisahan etanolair dengan menggunakan distilasi etanol pada
kondisi vakum selama terjadinya proses
fermentasi. Teknik ini bertujuan agar ethanol
inhibitation dapat berpindah. Pada penelitian [2]
telah melakukan teknik fermentasi dengan
462
Proceedings of National Seminar on Applied Technology, Science, and Arts (1st APTECS),
Surabaya, 22 Dec. 2009, ISSN 2086
2086-1931
kondisi
vacuum fermentation yang dapat
menaikkan produksi etanol menjadi 82 g/L.jam
dengan cell recycle,, sedangkan tanpa cell
recycle diperoleh produksi etanol 40 g/L.jam,
dan bila dibandingkan dengan menggunakan
proses konvensional didapatkan produksi etanol
hanya 29 g/L.jam. Sayangnya, memerlukan
energi cost setara dengan biaya 1,05 kali dari
energy cost yang diperlukan untuk proses batch
konvensional untuk memproduksi azeotrop
etanol.
Pendekatan yang logis untuk meningkatkan
mening
produktifitas etanol dalam fermentor adalah
dengan cara fermentasi ekstraktif dimana etanol
yang terbentuk diekstrak dengan pelarut
organik. Fermentasi ekstraktif mempunyai
keuntungan tambahan yaitu mempermudah
recovery dan pemurnian etanol, menggantikan
menggan
cara destilasi azeotrop yang biasa digunakan
untuk memisahkan etanol dari broth fermentasi
yang encer. Karena pada fermentasi ekstraktif
terjadi
pengurangan
penghambatan
pertumbuhan mikroorganisme oleh racun
produk terakhir etanol, maka sebagai umpan
fermentasi dapat digunakan larutan dengan
kadar glukosa yang tinggi.
ODOLOGI
II. METODOLOGI
Langkah-langkah
langkah
penelitian
yaitu
pretreatment molase, pengembangan kultur,
pembuatan starter, pembuatan sel immobilisasi
immobilisas
kemudian dilakukan fermentasi dan ekstraksi.
Pembuatan sel immobilisasi
Pembuatan sel immobilisasi dilakukan
dengan pembentukan bead dengan Na-Alginat
Na
dan κ-karaginan sebagai supporting matric
matrice,
dengan konsentrasi bead Ca-Alginat
Alginat dan KK
Karaginan adalah 2%.
Proses fermentasi
Proses
fermentasi
dimulai
ai
dengan
memasukkan bead immobilisasi sel dalam tray
fermentor sesuai dengan konsentrasi yang telah
divariasikan. Memasukkan molase steril yang
mengandung konsentrasi gula total sesuai
variabel ke dalam fermentor (bioreaktor packed
bed) dengan rate 0,06 L/jam, dilution rate 1,2
jam-1
Proses Ekstraksi
Broth yang dihasilkan dari proses
fermentasi
dikontakkan
solven
dengan
mengalirkan dari atas packed coloumn dengan
mengatur rate broth dan rate solven yang
dialirkan dari bagian bawah packed column.
Kemudian diperoleh liquid yang keluar dari
bagian atas sebagai ekstrak, dan liquid yang
keluar dari bagian bawah
wah sebagai rafinat.
Menganaliskan
kan ekstrak dengan metode Gas
Chromatografi. Berikut ini Gambar 1 peralatan
yang dipakai :
Gambar 1 Peralatan Bioreaktor Kontinyu
ntinyu Packed Bed
Dengan keterangan :
1. tetes
7. statif
2. pompa peristaltic
8. rafinat
3. bioreaktor packed bed 9.solvent
4. broth fermentasi
10. ekstrak
5. ekstraktor
11. penampung gas CO2
6. immobilisasi sel
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Percobaan fermentasi kontinyu dimulai
dengan
bead
Ca-Alginat/K
Alginat/K-Karaginan
dimasukkan ke dalam kolom sampai memenuhi
ketinggian bead, molase dipompa ke bawah
bioreaktor packed bed dengan menggunakan
pompa peristaltik dengan flow rate yang tetap
yaitu 0,06 L/jam, dengan dilution rate 1,2 jam-1,
molase dipompa melalui tubing silikon dan
sebagai produk etanol diperoleh dari effluent
liquid dari bagian atas bioreaktor packed bed.
Sedangkan pada fermentasi batch dilakukan di
dalam reaktor batch stirrer yang dilengkapi jaket
yang terdapat
pat liquid inlet dan liquid outlet.
Pengaduk yang digunakan diatur dengan
kecepatan rpm tetap.
tap. Sebagai produk fermentasi
batch diperoleh dari liquid yang terdapat di
dalam batch stirrer bioreaktor. Percobaan
fermentasi kontinyu dan fermentasi batch
dilakukan
an pada kondisi pH tetap 4 – 5. Hasil
produk etanol dianalisa menggunakan gas
chromatography,, serta sel bebas pada
fermentasi batch dianalisa menggunakan
metode optical density.
Pengaruh Konsentrasi Glukosa terhadap Kadar
Etanol yang dihasilkan
Hubungan konsentrasi etanol pada berbagai
konsentrasi glukosa dengan bead Ca
Ca-Alginat
2% dan K-karaginan
karaginan 2% serta fermentasi secara
batch ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2 Konsentrasi Etanol vs Konsentrasi Glukosa
463
Proceedings of National Seminar on Applied Technology, Science, and Arts (1st APTECS),
Surabaya, 22 Dec. 2009, ISSN 2086
2086-1931
Dari hasil percobaan, pada konsentrasi
glukosa 10%, 14%, 18%, 28% konsentrasi
etanol yang dihasilkan dengan bead Ca-Alginat
Ca
2% secara berurutan sebesar 40,78 g/L, 41,43
g/L, 57,48 g/L, 69,15 g/L pada konsentrasi
glukosa 10%, 14%, 18% konsentrasi etanol
yang dihasilkan dengan bead K-karaginan
karaginan 2%
secara berurutan sebesar 17,683 g/L, 32,415
g/L, 56,998 g/L, sedangkan pada konsentrasi
glukosa 10%, 14%, 18%, 28 % konsentrasi
etanol yang dihasilkan dengan fermentasi secara
batch secara berurutan sebesar 7,39 g/L, 8,84
g/L, 8,92 g/L, 5,6 g/L.
Konsentrasi
asi etanol tertinggi dicapai pada
konsentrasi glukosa 28% dengan bead CaCa
Alginat 2% yaitu sebesar 61,34 g/L dan dengan
bead K-Karagianan
Karagianan 2%, dicapai pada
konsentrasi glukosa 18 % sebesar 56,99 g/L.
Pada bead Ca-Alginat 2% dan bead K-karaginan
K
2%, semakin tinggi konsentrasi glukosa maka
semakin tinggi kadar etanol yang dihasilkan.
Hal ini dikarenakan pada konsentrasi glukosa
yang lebih tinggi, tersedia lebih banyak substrat
yang dapat dikonversi menjadi etanol sehingga
produk yang dihasilkan jugaa lebih tinggi.
Sedangkan untuk fermentasi secara batch
konsentrasi etanol tertinggi dicapai pada
konsentrasi glukosa 18% sebesar 8,92 g/L,
kemudian pada konsentrasi glukosa 28 %
mengalami penurunan. Hal ini disebabkan
karena pada konsentrasi glukosa tingg
tinggi (28%)
menyebabkan substrat menjadi inhibitor [4]
serta terjadinya osmosis
smosis yang tinggi [3]
[
sehingga membran plasma sel keluar
mengakibatkan sel berkurang, etanol yang
dihasilkan juga berkurang.
Pengaruh Konsentrasi Glukosa terhadap Yield
Etanol
Yield merupakan
upakan perbandingan banyaknya
produk etanol yang dihasilkan terhadap glukosa
yang terkonsumsi selama reaksi fermentasi.
Gambar 3 menunjukkan hubungan yield etanol
rata-rata
rata (%) vs konsentrasi glukosa dalam
molase (%).
45
40
38.22
37.93
Yield Etanol (%)
35
25
30.96
30.71
30
19.029 23.09
20
26.729
24.127
15.97
12.37
15
10
4.85
5
0
10
14
18
Konsentrasi Glukosa dalam Molase (%)
Ca-Alginat 2 %
K-Karaginan 2 %
28
Batch
Gambar 3 Yield Etanol vs Konsentrasi Glukosa
Dari Gambar 3 terlihat bahwa pada bead
Ca-Alginat
Alginat 2% yield etanol tertinggi dicapai
pada konsentrasi substrat 10 % yaitu sebesar
38,22% dan pada bead K-karaginan
karaginan 2 % yield
etanol tertinggi dicapai pada konsentrasi
substrat 18 % yaitu sebesar
besar 26,73 %, sedangkan
pada fermentasi secara batch dicapai pada
konsentrasi substrat 10%. Kenaikan konsentrasi
glukosa
tidak
selalu
diiringi
dengan
bertambahnya yield etanol, untuk immobilisasi
sel yang menggunakan bead Ca
Ca-Alginat
semakin besar konsentrasi
rasi glukosa maka
semakin kecil yield etanol dan untuk
immobilisasi sel yang menggunakan K
KKaraginan semakin besar konsentrasi glukosa
maka semakin besar pula yield etanol yang
dihasilkan. Sedangkan untuk fermentasi secara
batch semakin besar konsentrasi gglukosa maka
semakin kecil yield etanol.
Pengaruh Konsentrasi Glukosa terhadap
Produktivitas Etanol
Produktivitas pada proses fermentasi
dinyatakan
sebagai
gram
produk
etanol/liter/jam. Gambar 4 menunjukkan
hubungan produktivitas etanol rata
rata-rata (%) vs
konsentrasi glukosa dalam molase (%).
Gambar 4 Produktivitas Etanol vs Konsentrasi Glukosa
Dari hasil
asil percobaan, pada Gambar 4
konsentrasi glukosa 10%, 14%, 18%, 28%
produktivitas etanol yang dihasilkan pada bead
Ca-Alginat
Alginat 2%, secara berurutan sebesar 50,98
g/L.jam, 51,78 g/L.jam, 71,85 g/L.jam, 82,98
g/L.jam pada konsentrasi glukosa 10 %, 14 %,
18%, bead K-karaginan 2% sebesar 21,22
g/L.jam, 38,898 g/L.jam, 68,397 g/L.jam.
Sedangkan pada konsentrasi glukosa 10%, 14%,
18%, 28% produktivitas etanol yang dihasilkan
pada fermentasi secara batch sebesar 0,15
g/L.jam, 0,16 g/L.jam, 0,17 g/L.jam, 0,108
g/L.jam. Produktivitas etanol berbanding lurus
dengan konsentrasi etanol karena produktivitas
etanol merupakan konsentrasi etanol dibagi
dengan residence time.
Dari hasil percobaan ditinjau konsentrasi,
yield dan produktivitas etanol menggunakan
immobilisasi sel dengan supporting matrice NaAlginat lebih besar dari menggunakan
immobilisasi sel dengan supporting matrice κKaraginan, hal ini disebabkan karena metode/
treatment pembuatan bead Ca-Alginat
Alginat maupun
K-Karaginan
Karaginan berbeda. Pada pembuatan bead
464
Proceedings of National Seminar on Applied Technology, Science, and Arts (1st APTECS),
Surabaya, 22 Dec. 2009, ISSN 2086
2086-1931
Ca-Alginat
Alginat tidak memerlukan pemanasan (yang
diperlukan suhu kamar/ 30o C), sedangkan pada
pembuatan bead K-Karaginan
Karaginan memerlukan
pemanasan sampai pada suhu 700 C kemudian
diturunkan hingga suhu 400 C. Pada pemanasan
suhu ini menyebabkan beberapa bakteri
dimungkinkan mati sehingga jumlah bakteri
berkurang, hal ini mengakibatkan konsentrasi
etanol yang dihasilkan juga berkurang.
urang.
Dilihat dari konsentrasi, yield dan
produktivitas etanol fermentasi kontinyu lebih
baik daripada fermentasi secara batch. Pada
fermentasi secara kontinyu menggunakan
immobilisasi sel Ca-Alginat
Alginat dan K-Karaginan
K
sebagai supporting matrice,, dimana bakteri
bakt
zymomonas mobilis dijebak di dalam bead,
dengan adanya immobilisasi sel membuat
gradien
glukosa,
kemudian
mengikuti
konsentrasi glukosa yang lebih rendah yang
akan menjadi noninhibitor [3]. Sedangkan
fermentasi secara batch bakteri zymomonas
mobilis dalam
alam keadaan bebas (free
(
cells)
menyebabkan
terjadinya
plasmolisis,
terlepasnya membran plasma dari dinding sel ke
lingkungannya, serta sifat substrat yang
inhibitor terhadap sel yang menyebabkan
yebabkan rate
fermentasi turun [1].
Pengaruh Kecepatan Rate Broth dan Rate
Solven Terhadap % Recovery
Pada proses ekstraksi menggunakan
perbandingan rate broth : rate solven = 1 : 1
dengan yang dipakai sebagai solven adalah
amyl alkohol dan pada kolom ekstraktor
digunakan packing raschig rings.
rings Proses
ekstraksi dilakukan selama 12 jam kemudian
diambil sampel ekstrak dan rafinat untuk
dianalisakan
konsentrasi
etanol
dengan
menggunakan metode Gas Chromatografi (GC).
Gambar 5 menunjukkan hubungan konsentrasi
glukosa (%) dengan % recovery dengan
perbandingan rate broth : rate solven amyl
alkohol = 1 : 1.
Pada rate broth 0,15 L/jam cenderung
mengalami kenaikan kemudian stabil dengan
bertambahn ya konsentrasi glukosa, % recovery
tertinggi = 89,55 % pada konsentrasi glukosa
22%. Sedangkan pada rate broth 0,09 L/jam
mengalami penurunan dengan bertambahnya
konsentrasi glukosa, % recovery tertinggi =
84,43 % pada konsentrasi glukosa 14 %.
Dari Gambar 5 diatas diketahui bahwa pada
rate broth 0,15 L/jam didapatkan % recovery
etanol lebih tinggi daripada rate broth 0,09
L/jam. Hal ini menunjukkan bahwa semakin
besar liquid continue (amyl alkohol) yang
masuk ke kolom maka semakin besar pula %
recovery ekstraksi,
kstraksi, hal ini disebabkan naiknya
koefisien perpindahan massa karena semakin
besarnya laju alir liquid continue
continue, sehingga
mengakibatkan jumlah etanol yang diekstrak
semakin besar dan harga % recovery juga
menjadi semakin besar.
IV. KESIMPULAN
Dari hasil percobaan diperoleh hasil rata
ratarata tertinggi pada immobilisasi sel Ca
Ca-Alginat
2%; konsentrasi etanol 69,15 g/L (8,76 %),
yield 33,76%, produktivitas etanol 82,98
g/L.jam sedangkan pada immobilisasi sel Kkaraginan 2% diperoleh konsentrasi etano
etanol
60,18g/L
(7,63%), yield 27,66% dan
produktivitas etanol 72,22 g/L.jam
g/L.jam. Pada
fermentasi secara batch diperoleh hasil tertinggi
konsentrasi etanol sebesar 8,92 g/L (1,13%),
yield etanol sebesar 23,09% dan pr
produktivitas
etanol 0,17 g/L.jam. Semakin besar rrate solven
amyl alkohol maka laju perpindahan
perpindahan massanya semakin besar sehingga
% recovery juga semakin besar.
V. DAFTAR PUSTAKA
[1] Goksungur, Y. and N. Zorlu, (2001),
“Production of Ethanol From Beet Molasses
by Ca-Alginate
Alginate Immobilized Yeast Cells in
a Packed-Bed Bioreactor”, Turk J. Biol., 25,
page 265-275. Turkey.
[2] Minier, M, and Goma, G, (1982), “Etanol
Production by Extractive Fermentation”, J
Biotechnology and Bioengineering
Bioengineering, 34, hal
1565-1579.
[3]
Barros,
M.R.A.,J.M.S Cabra and
J.M.Novais, (1987), “Production Ethanol by
Immobilized Saccharomyces Bayanus in an
extractive
Fermentation
System”,
Biotechnology and Bioengineering Vol
XXIX hal 1097-1104.
Gambar 5 Hubungan Konsentrasi Glukosa dengan %
Recovery
465